АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ УЗКОСТРУЙНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОфД ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ УЗКОСТРУЙНОЙ

ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ

A.B. ДОГАДИН, профессор, ЧИЕУКУАНГФИ, аспирант> СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург

Скорость и качество резки в значительной степени определяют эффективность технологического процесса резки деталей. Неправильное задание скорости резки приводит:

• к повышенному износу расходных частей (катод и сопла);

• увеличению угла скоса кромок реза;

• непрорезанию металла;

• оплавлению кромок реза

В настоящее время на большинстве судостроительных заводов скорость резки выбирает технолог или оператор, обслуживающий машины по таблицам рэзки или по опыту вырезки деталей на данной машине. Однако в таблицах даны рекомендации только по некоторым материалам и толщинам разрезаемого металла. Если выбранные толщины и материалы не соответствуют рекомендации, то технолог должен выбирать скорость резки, опираясь на имеющийся практический опыт.

Решением для изложенной выше задачи могла бы

быть разработка аналитической формулы определения скорости резки в зависимости от основных контролируемых параметров. Это особенно важно в условиях гибких автоматических производств, когда управление технологическими процессами должно выполняться без участия оператороз по управляющим программам.

В литературе [1] уже имеются эмпирические зависимости дня традиционной плазменной резки для двух плазмообразующих газов.

V = (1,5+0,061 )/в%, м/мин - для воздуха; (1)

V = (2,0+0,071 , м/мин-для кислорода, где 4 = (1/400)0,2 = (0,25-1-21)0,2.

Использование этих формул для определения скорости «узкоструйной» плазменной резки может давать большие погрешности (табл. 1-3).

Таблица 1

Толщина S, мм Ток /, А Напряжение и, В Скорость резки, мм/мин Погрешность V -V р ^ 100% Ч>

по рекомендации по формуле (1)

2 80 120 3000 3812 27,07

4 80 120 2100 2307 9,86

6 130 120 3000 2223 25,90

10 130 125 1700 1478 13,06

16 130 130 1100 1016 7,64

20 130 135 900 850 5,56

Таблица 2 Скорость узкоструйной плазменной резки углеродистой стали (St-37), установка Hi Focus 130, плазмообразующий газ - кислород 02, вихревой газ - 02

Толщина, S, мм Ток /, А Напряжение и, В Скорость резки, мм/мин Погрешность V -V р ф100%

к по рекомендации по формуле (1)

4 50 119 2200 2204 0,18

5 50 123 1750 1902 8,69

6 50 125 1500 1686 12,40

8 60 134 1400 1494 6,71

10 60 127 1000 1283 28,30

12 100 133 1750 1369 21,77

15 100 134 1300 1156 11,08

Скорость узкоструйной глазменной резки углеродистой стали (St-37), установка Fine Focus 450, плазмообразующий газ - вэздух, вихревой газ - воздух

8 № 4 (37)2007

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ С^д

Таблица 3

Скорость узкоструйной плазменной резки алюминиевого сплава (А1Мд), установка ШРосиэ 130, плазмообразующий газ - воздух, вихревой газ - (М2/М2Н2)

Толщина, S, мм Ток 1, А Напряжение и, В Скорость резки, мм/мин Погрешность V -V р ф100%

к, по рекомендации К по формуле (1)

2 30 14Ь 1400 2184 56,00

3 35 150 1200 1833 52,75

4 35 140 1100 1536 39,64

4 45 143 1500 1715 14,33

5 50 146 1400 1556 11,14

6 50 150 1300 1380 6,15

Рис. 1. Диапазон режущего тока в традиционной и узкоструйной плазменной резке

В связи с этим ниже предлагается уточнение формулы для скорости узкоструйной плазменной резки.

Выделим факторы, влияющие на скорость резки.

1. Качественные параметры: марка разрезаемого металла (М), плазмообразующий и вспомогательный газ (Г), конструкция плазмотрона и технология обжатия струи плазмы (Т), требуемая степень качества реза (К) и др.

2. Количественные параметры: давление газа (Д), расстояние от плазматрона до разрезаемого ме~алла (И), толщина разрезаемого металла (Э), сила тока (I), напряжение (II), ширина реза (Ь) - неуправляемый вхсдной параметр.

Сложность зависимости скорости резки от большого количества параметров не позволяет в настоящее время получить аналитическую зависимость теоретическим путем. Поэтому используем распространенный в технике подход на базе экспериментальных данных и их обра-

а б

Рис. 2. Схема плазматрона и технология обжатия струи плазмы: а - традиционная; б - узкоструйная; А, В - поток охлаждающей жидкости;

С - плазмообразующий газ; D - вихревой газ

Аналитическая зависимость может быть представлена в форме V- V{S,I,U).

Запишем модификацию формулы (1) в следующем виде:

§С12(1/400Я

ИЛИ

lnl/ = lnp+a,lnCL//;-a2('//400;a3lnS. (2)

Для применения метода наименьших квадратов преобразуем стегенную функцию (//400)а3 в линейную с помощью ряда Тейлора:

№4(37)2007 9

Полученные результаты (табл. 1-3) показывают, что отклонения в величине скорости резки могут достигать для углеродистой стали 28,3 %, для алюминиевых сплавов 83,33 %.

Причиной большой погрешности в определении скорости узкоструйной плазменной резки по формуле (1) является отсутствие учета влияния на скорость резки таких параметров, как марка металла, технология обжатия струи плазмы, давление газа, высота плазмотрона над разрезаемым металлом, напряжение дуги.

Кроме того, формула (1) разработана для традиционной плазменной технологии, которая в отличие от узкоструйной плазменной резки реализуется на большом режущем токе (рис. 1). Имеются также отличия в конструкции плазмотрона и технологии обжатия струй плазмы (рис. 2).

ботки методом наименьших квадратов. При проведении экспериментов:

• фиксировались параметры - технология резки и источник питания, марка разрезаемого металла, тип плазмообразующего и вспомогательного газа, давление газа, высота плазмотрона над металлом (заранее нужно выполнять надстройку для получения оптимального качества реза);

• изменялись парамефы - шлщина разрезаемого металла, режущий ток, напряжение.

->

/. А

200 240

700

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

(//400р «1 + а31п(//400) + -(а3)!г(1п(//400))г + +....+-1(а3)л(1п(//400))п

П!

В качестве первого приближения принимаем

(//400)°3 «1+а31п(//400), (3)

при этом необходимым условием для уменьшения погрешности является

-(<x3)2(ln(//400))2->0 •

(4)

После второго шага модификации формулы (1) искомая формула приобретает вид

у = (х0 + <х,х, - а2(1+а3х3 )х2

или

1/ =

{UI)U]

gaatHoj N//£5»

(5)

где у = Ini/, х1 = 1п(1//), х2 = Ins, х3 = ln(//85), а0 = Inß.

Для удобства решения перепишем (5) в следующем виде:

В отличие от традиционной плазменной резки (где применяется режущий тек в диапазоне 200...700 А) в современной узкоструйной плазменной резке используется в основном режущий ток в диапазоне / = 30...240 А (рис. 1).

В пределах / = 30...240 А функция (1п(//400))2 изменяется от 0 до 6,71, что делает погрешность при приближении по формуле (3) очень большой. Поэтому для уменьшения погрешности необходимо заменить функцию 1п(//400) другой функцией 1п(1/т) и выбрать оптимальное значение т из условия в диапазоне / = 30...240 А, т.е. из условия: -1п(30/ш) = 1п(24Э/ш), 01куда ш = >/30 240 =85 . Тогда заменяемая функция (1п(//85))2= 0... 1,08 в диапазоне/= 30...240 А.

Если при расчете получаем, например, а3 < 0,25, то погрешность (4)

^(Оз)2(1п(//85))2 <0,0364 , т.е. 3,64 %

у = а0 + а1х1-а2х2-а3х2х3,

где аз = а2а3; коэффициенты а0, аг а2, а'3 определены методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных фирмы Kjellberg (ФРГ). Для расчетов разработана и использована программа на языке FoxPro. Результаты расчетов (формулы определения скорости и расчеты погрешности) приведены в табл. 4-6.

Формула для определения скорости узкоструйной плазменной резки углеродистой стали на установке Fine Focus 450, плазмообразующий газ - воздух, вихревой газ - воздух:

.-32.39

v =

(UI)

4,45

£0.63(1-:

291N//85))

(6)

Таблица 4

Результать расчета по формулам (1) и (6)

S, мм V эксп Кб) Погрешность (1) Погрешность (6)

2 3000 3812 3007 27,07% 0,23%

4 2100 2307 2098 9,86% 0,10%

6 3000 2223 2976 25,90% 0,79%

10 1700 1478 1735 13,06% 2,08%

16 1100 1016 10G4 7,64% 3,24%

20 900 850 919 5,56% 2,08%

I = 89,07% I = 8,53%

Таблица 5

Результаты расчета по формулам (1) и (7)

S, мм V эксп % ^7) Погрешность (1) Погрешность (7)

4 2200 2204 2220 0,18% 0,90%

5 1750 1902 1768 8,69% 1,05%

6 1500 1686 1450 12,40% 3,34%

8 1400 1494 1408 6,71% 0,59%

10 1000 1283 1014 28,30% 1,44%

12 1750 1369 1744 21,77% 0,35%

15 1300 1156 1299 11,08% 0,06%

1 = 89,13% I = 7,74%

10 №4(37)2007

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Таблица 6

Результаты расчета по формулам (1) и (8)

S, мм V эксп ^(1) ^(8) Погрешность (1) Погрешность (8)

1 1800 3300 1828 83,33% 1,53%

2 1400 2184 1354 56,00% 3,28%

3 1200 1833 1280 52,75% 6,65%

4 1100 1536 1099 39.64% 0.06%

4 1500 1715 1373 14,33% 8,49%

5 1400 1556 1411 11,14% 0,77%

6 1300 1380 1348 6,15% 3,68%

I = 263,35% I = 24,46%

Формула для определения скорости узкоструйной плазменной резки углеродистой стали на установке Н^осиэ 130, плазмообразующий газ - кислород 02, вихрезой газ - 02.

е"°*'(1//)и8

?0,17(М).38И'/в5))

(7)

Формула для определения скорости узкоструйной плазменной резки алюминиевых сплавов (AIMg) на установке HiFocus 130, плазмообразующий газ - воздух, вихревой газ - (N2/N2H2):

еЭ67(1//)046

g0.17(t-1.62lnf/85)

(8)

Вывод

Предложены аналитические зависимости (6) - (8) для определения скорости узкоструйной плазменной резки углеродистой стали и алюминиевых сплавов. Погрешность этих зависимостей очень мала по сравнению с (1 ), что позволяет рекомендовать эти зависимости для определения скорости узкоструйной плазменной резки на практике.

Список литературы

1. Горбач В.Д. Технологическое проектирование корпусо-обрабатывающ/ix цехов судостроительных предприятий/ В.Д. Горбач, A.A. Васильев, D.M. Левшанов, P.C. Нисенбаум - СПб.: ФГУП «ЦНИИТС», 2005.

2. Мартынов А.Н. Методы экспериментального изучения технологических процессов в машиностроении: учеб. пособие/ А.Н. Мартынов, Г.Ф. Тютиков. - Пенза, 1S79.

3. Сайт www.kjellberg.de

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ВЫТЯЖНЫХ ПУАНСОНВВ

В. П. ГИЛЕТА, доцент, канд. техн. наук, В. Б. АСАНОВ, доцент, канд. техн. наук, А. И. БЕЗНЕДЕЛЬНЫЙ, доцент, канд. техн. наук, НГТУ, г. Новосибирск

В промышленности широко используются тонкостенные детали, полученные глубокой вытяжкой. При этом в

значительной степени качество полученных изделий зависит от состояния поверхностного слоя инструментов для вытяжки, в особенности пуансонов. Так как пуансоны работают в условиях больших давлений и температур, то они подвергаются износу и даже повреждению трущихся поверхностей в виде борозд, вырывов металла, направленных вдоль главнсго движения инструмента. Исключение таких нежелательных явлений производится обычно выбором материала инструмента и их химико-термической обработкой, подбором смазки и другими технологическими и эксплуатационными методами. Проблеме повышения стойкости инструментов для холодного выдавливания и, как следствие, качеству получаемых изделий посвящается настоящая статья.

Обзор литературы показал, что существуют различные методы упрочнения химико-термической обработкой (цементирование, цианирование, хромирование и др.) в комбинации с поверхностным пластическим деформированием (ППД) шариками, роликами, дробью, которые повышают износоустойчивость и усталостную прочность деталей машин и инструментов.

Однако упрочнение азотированных сталей методами ППД считалось нецелесообразным из эа высокой твердости и хрупкости азотированного слоя [1]. В работе [2] впервые были показаны основные особенности поверхностного упрочнения тяжело нагруженных деталей машин из высокопрочных сталей после азотирования с последующей обкаткой роликами. Используемые после азотирования методы ППД не исчерпывают возможностей материала к упрочнению ввиду того, что кинематические и термодинамические характеристики, присущие этим методам, не позволяют достигать высоких степеней и скоростей деформаций. Поэтому научный и практический интерес представляет изучение воздействия импульсного нагружения с высокой частотой на азотированную поверхность. Исходя из сказанного были рассмотрены следующие вопросы

1. Возможность упрочнения азотированных поверхностей пластическим деформированием с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент (УЗО).

2. Влияние режимов упрочнения на качество поверхностного слоя.

№¿(37)2007 1 1